基于CTCS－3级列控系统ISDN服务器的嵌入式设计

吴 宇 李 坚

综合业务数字网 （ISDN）可以提供语音、数 据和视频等多项面向连接业务。CTCS－3级列控系统无线闭塞中心 （RBC）利用ISDN服务器实现与MSC的通信，采用PRI接口，其集群速率为30B＋D （2Mb／s）数字接口。即每个2Mb／s接口包含30个B通路和1个D通路，B信道用于传送数据和语音信息，信令规程采用HDLC信令；D信道用于传送信号和控制信息，信令规程采用DSS1信令方式。RBC与ISDN之间通过局域网交换机VLAN互联，采用TCP／IP通信，ISDN服务器在CTCS－3级列控系统中连接如图1所示。

图1 ISDN服务器在CTCS－3级列控系统中连接示意图

目前，铁路CTCS－3级列控系统中应用的ISDN服务器，普遍采用通用处理服务器集成ISDN板卡的方式实现，其核心芯片均由国外厂商提供，且内部平台实现不公开，接口私有、不透明。从系统安全性上考虑，需要一种基于通用式平台国产化的ISDN服务器。介绍一种新型基于嵌入式LINUX系统ISDN服务器，可以有效提升既有CTCS－3级列控系统ISDN服务器稳定性和可靠性。

1 系统架构

总体架构分为驱动程序、ISDN协议栈、通用ISDN接口 （CAPI）、应用接口程序和系统管理等五部分，分别由二个级别实现，其中，驱动程序、ISDN协议栈在LINUX操作系统内核级实现；其余部分在操作系统用户级实现。ISDN服务器软件平台总体架构如图2所示。

图2 ISDN服务器软件平台总体架构

各部分的主要功能：驱动程序实现设备文件驱动管理和接口驱动管理；ISDN协议栈是对标准协议功能的实现；CAPI实现国际通用ISDN应用编程接口协议，该协议使呼叫控制协议与底层硬件平台无关，应用接口程序可以访问几乎所有类型ISDN底层硬件；应用接口程序实现ATP与RBC之间CTCS－3级列控业务呼叫发起、接受、挂断和拒绝等应用功能；系统管理实现对ISDN的设备管理功能。

1．驱动程序。LINUX嵌入式操作系统通过驱动程序控制硬件设备工作，实现硬件底层PCI（外设部件互连标准）、E1（30路脉码调制PCM）和设备文件系统管理。驱动程序工作在系统内核态，操作系统加载时自动完成驱动程序加载工作。

2．ISDN协议栈由D通路信令平台和B通路用户平台二部分组成。D通路信令平台物理层技术规范采用ETS 300 011协议，链路层技术规范采用ETS300 125协议，网络层技术规范采用ETS 300 102协议。B通路用户平台物理层采用V．110协议。ISDN协议栈如图3所示。

图3 ISDN协议栈

3．CAPI向应用接口程序发送和接收标准ISDN接口通用消息，简化了不同操作系统间用户空间上差异。通过CAPI接口桥接，D通路信令平台信令业务实现网络层和应用层的数据交互，B通路用户平台数据业务实现物理层和链路层的数据交互。CAPI可屏蔽不同底层硬件带来数据结构差异，使应用接口程序开发者能够快速实现一定范围内各类数据交换过程。既有RBC开发是基于CAPI实现的，所以在移植过程中为了保持风格一致，ISDN系统也需对CAPI进行开发，实现与RBC系统之间对接。

4．应用接口程序实现RBC与ATP之间电路交换数据 （CSD）2．4，4．8，9．6kb／s的呼叫过程，提供基于GSM－R的电路交换承载业务的通信功能。RBC与ISDN应用接口程序之间采用以太网连接，通过TCP／UDP方式收发指令和业务数据。RBC通过应用接口程序实现CSD呼叫D通路信令建立、连接、拒绝、释放等信令过程，在B通路时隙上实现列控业务数据发送和接收过程。

5．系统管理。ISDN服务器发生故障时易导致CTCS－3级列控系统降级运行。系统管理根据系统内部运行状态自动诊断设备工作状况，向用户发送故障告警提示，提供输入输出记录查询，辅助CTCS－3级列控系统降级分析。

2 功能设计

基于LINUX嵌入式架构的ISDN系统功能模块设计如图4所示。

ISDN协议栈基于LINUX内核态模式下开发，这样实现协议栈的优点是效率高、速度快、运行稳定，模块可动态加载和卸载，用户管理方便。ISDN协议栈包含D通路物理层协议栈模块、D通路链路层协议栈模块、D通路网络层协议栈模块、B通路业务数据速率适配模块和状态及管理模块。驱动程序由PCI驱动模块、E1驱动模块和设备文件管理模块组成。CAPI由设备文件模块、分发调度模块和库函数模块组成。系统管理由网管界面模块、文件记录模块、异常故障诊断模块和用户配置模块组成。各模块功能如下。

1．PCI驱动模块。该模块实现硬件电路PCI总线管理，控制嵌入式平台输入输出。为使PCI接口正常使用，采用使能PCI驱动程序。

2．E1驱动模块。为配合E1接口芯片使用E1驱动模块。该模块能够灵活地配置E1寄存器和相关电气特性。作为主引导模块，在加载该模块的同时触发其他模块加载。

3．设备文件系统模块。该模块作为ISDN设备文件驱动的管理接口，向操作系统提供基于字符设备文件操作符，操作系统使用该模块对ISDN驱动设备完成管理、维护和状态查询等操作。

4．D通路物理层协议栈模块。该模块实现对一次群基本速率接口PRI的功能特性和接口规程的封装，以及物理信道的激活／去激活。

5．D通路链路层协议栈模块。该模块实现数据链路层点到点规程状态转移，封装层对层通信单元和端对端帧结构。

6．D通路网络层协议栈模块。该模块实现电路交换的呼叫控制流程，定义信令消息一般格式和信息单元编码，封装层与层通信单元。

7．B通路业务数据速率适配模块。该模块实现CSD数据编码格式与RBC列控业务安全数据编码格式之间转换。

8．状态机管理模块。该模块对ISDN协议栈模块对象统一管理，实现各协议层内部状态管理和状态转移，实现协议栈新建／卸载、注册／注销协议层、新建／删除实体，E1时隙信道进行分配和释放。

9．CAPI设备文件模块。该模块是CAPI系统用户态与内核态之间的接口模块，实现CAPI读写、I／O控制、设备打开关闭以及设备轮询的操作。

10．CAPI分发调度核心模块。该模块为ISDN应用程序接口与ISDN协议栈之间的分发调度层。ISDN协议栈必须注册ISDN设备到CAPI分发调度核心模块，表示协议栈准备好为应用接口程序提供服务。应用接口程序也会注册到CAPI分发调度核心模块，表明请求与对应的ISDN设备进行关联。CAPI分发调度核心模块会将应用程序的注册信息绑定到一个可以使用ISDN的物理设备，实现应用接口程序和ISDN协议栈之间双向信息交互。

11．CAPI库函数模块。该模块实现CAPI交换消息的内存管理和CAPI标准消息接口函数。

12．异常故障信息处理模块。该模块能够根据设备返回的异常状态值，结合标准协议规范向用户提供异常原因解释。

3 系统流程

3．1 系统总体启动流程

系统启动首先加载内核协议栈，配置合理化系统参数，启动用户接口程序。如协议栈启动成功，E1链路物理层通信正常，ISDN开启呼叫监听功能，等待ATP发起呼叫接入信令后调用CAPI实现RBC与MSC之间CSD链路建立过程。如协议栈启动失败，返回人机界面，重新进行系统配置和协议栈加载。流程见图5。

3．2 ISDN系统内部呼叫建立和业务数据传输流程

CTCS－3级列控系统ATP与RBC车－地业务数据传输分为2个阶段：①车载ATP发起主叫呼叫控制，与RBC建立呼叫连接，创建业务信道；②车－地双方在已申请的B通路时隙收发CTCS－3级列控业务数据。在这2个阶段，ISDN服务器实现车－地设备对等层之间信令控制、协议转发、速率匹配和业务透传功能。ISDN内部呼叫建立流程和业务数据传输流程如图6所示。

图5 系统总体启动流程

图6 ISDN系统内部呼叫建立流程和业务数据传输流程

首先，由ATP发出呼叫开始请求信令SET UP到ISDN应用接口程序模块，翻译为CON NECT＿REQ的标准CAPI消息，经CAPI模块转换为SETUP交给ISDN设备D通路协议栈处理；协议栈按照标准协议回复SETUP ACK给CAPI协议栈，经CAPI协议栈发送给MSC；成功后ATP发送CONNECT信令建立连接，应用接口程序封装为CAPI标准消息CONNECT＿ACTIVE＿IND，经CAPI模块后还原为CONNECT消息转发ISDN协议栈处理；成功后ISDN协议栈向ATP回复CONNECT＿ACK。上述流程完成后即建立PRI链路D通路连接，并指配数据业务B通路时隙。

呼叫建立后，ATP在已指配完成B通路时隙上发送SABME消息，通过CAPI转换为CONNECT＿B3＿REQ传输到ISDN设备B通路链路层协议栈处理；成功后回复UA消息到ATP。此时建立PRI链路B通路连接，ATP和RBC之间可以实现CTCS－3级列控系统数据业务传输，该数据业务协议格式由RBC设备实现，ISDN仅作为透传通道。

3．3 ISDN系统内部呼叫清除流程

CTCS－3级列控系统车载ATP发起呼叫挂断时，ISDN内部呼叫清除流程如图7所示。

呼叫清除过程与呼叫建立过程相反，首先B通路通过发送DISC消息断开连接，如果对方回复UA确认，则B通路拆链完成。其次完成D通路拆链过程，由ATP发出的呼叫清除DISCONNECT信令，按照CAPI协议翻译为DISCONNECT＿REQ，经CAPI模块转换为DISCONNEC信令交给ISDN设备D通路协议栈Layer3／Layer2／Layer1处理。ISDN协议栈根据标准协议回复RELEASE信令给CAPI协议栈，经CAPI协议栈转发 MSC。成功后ATP发送RELEASE COMP确认D通路链路拆除，实现模块间呼叫清除流程。

图7 模ISDN系统内部呼叫清除流程

4 结束语

基于CTCS－3级列控系统的嵌入式ISDN服务器完全自主国产化设计，能够无缝匹配既有RBC系统运用，相对传统ISDN服务器来说具有强大故障诊断能力，可以准确掌握设备运行状态，实现对ISDN卡与MSC之间的2Mb／s线缆在ISDN端断开、ISDN卡初始化无法识别、ISDN服务器与RBC通信中断等异常情况自我诊断，强化CTCS－3级列控系统降级分析能力。

［1］ 中华人民共和国邮电部．YDN 034．1－1997．ISDN用户－网络接口规范No．1物理层技术规范［S］．1997．

［2］ 中华人民共和国邮电部．YDN 034．1－1997．ISDN用户－网络接口规范 No．2数据链路层技术规范［S］．1997．

［3］ 中华人民共和国邮电部．YDN 034．1－1997．ISDN 用户－网络接口规范第3部分：第三层基本呼叫控制技术规范［S］．1997．

［4］ 王国光，唐世军，孟令韬．CCS系统中ISDN服务器的实现［J］．铁道通信信号 ．2014（4）：81．

［5］ 郭媛忠．CTCS－3级列车运行控制系统无线超时故障分析［J］．铁道通信信号 ．2014（7）：73．